Kfz-LED-Treiberschaltungen - Entwurfsanalyse

In Autos oder Automobilen haben sich LEDs zur bevorzugten Wahl der Beleuchtung entwickelt. Ob es sich nun um die hinteren Rücklichter oder die Kontrollleuchten im Cluster handelt, wie in Abbildung 1 unten gezeigt, alle enthalten heutzutage LEDs. Ihre kompakten Abmessungen tragen zur Vielseitigkeit des Designs bei und bieten die Aussicht, so langlebig zu sein wie die Lebenserwartung des Fahrzeugs.

Abbildung 1

Obwohl LEDs hocheffiziente Geräte sind, sind sie andererseits anfällig für eine Verschlechterung durch ungeregelte Spannungs-, Strom- und Temperaturparameter, insbesondere im rauen Automobil-Ökosystem.

Um die Effizienz und Dauerhaftigkeit von LED-Licht verbessern zu können, Design der LED-Treiberschaltung erfordert eine vorsichtige Analyse.

Elektronische Schaltungen, die als LED-Treiber eingesetzt werden, verwenden grundsätzlich Transistoren. Eine Standardschaltungstopologie, die häufig in LED-Treibern verwendet wird, ist die lineare Topologie, bei der der Transistor so ausgelegt ist, dass er innerhalb des linearen Bereichs arbeitet.

Diese Topologie gibt uns die Möglichkeit zu machen Treiberschaltungen nur über Transistoren oder Verwendung spezieller ICs mit eingebauten Transistoren und zusätzlichen LED-Verbesserungsfunktionen.

In diskreten Anwendungen sind Bipolartransistoren (BJTs), die leicht zugängliche Warenprodukte sind, in der Regel der Favorit.

Trotz der Tatsache, dass BJTs aus Sicht der Schaltung einfach zu konfigurieren sind, können erhebliche Komplikationen auftreten, wenn eine vollständige LED-Treiberlösung erstellt wird, die die Genauigkeit der Stromregelung, die Leiterplattenabmessung, das Wärmemanagement und die Fehlerdiagnose erfüllt. Dies sind einige wichtige Voraussetzungen den gesamten Arbeitsversorgungs- und Temperaturbereich.

Darüber hinaus als die Anzahl der LEDs steigt Das Schaltungsdesign unter Verwendung diskreter BJT-Stufen wird noch ausgefeilter.

Im Vergleich zu diskreten Teilen gilt IC-basierte Alternativen scheinen in Bezug auf das Schaltungslayout, aber zusätzlich die Entwurfs- und Bewertungsverfahren bequemer zu sein.

Außerdem kann das allgemeine Mittel vielleicht noch günstiger sein.

Parameter für das Entwerfen von LED-Treibern für Kraftfahrzeuge

Daher beim Entwerfen von LED-Treiberschaltungen für eine Automobilbeleuchtung Bei der Anwendung ist es wichtig, LED-Brennpunkte zu berücksichtigen, Alternativen für das Schaltungsdesign zu bewerten und die Systemanforderungen zu berücksichtigen.

Eine LED ist eigentlich eine P-Typ N-Typ (PN) -Übergangsdiode, durch die der Strom nur in einer einzigen Richtung durch sie fließen kann. Der Strom beginnt zu fließen, sobald die Spannung an der LED die minimale Durchlassspannung (VF) erreicht.

Der Beleuchtungsstärke oder die Helligkeit einer LED wird durch den Durchlassstrom (IF) bestimmt, während der Stromverbrauch einer LED von der an die LED angelegten Spannung abhängt.

Obwohl die LED-Helligkeit und der Durchlassstrom IF linear zusammenhängen, kann bereits ein geringfügiger Anstieg der Durchlassspannung VF über der LED eine schnelle Eskalation der Stromaufnahme der LED auslösen.

LEDs mit unterschiedlichen Farbspezifikationen weisen aufgrund ihrer spezifischen Halbleiterbestandteile unterschiedliche VF- und IF-Spezifikationen auf (Abbildung 2). Es ist notwendig, die Datenblattspezifikationen jeder LED zu berücksichtigen, insbesondere beim Anwenden von LEDs unterschiedlicher Farbe innerhalb eines einzelnen Stromkreises.

Figur 2

Zum Beispiel bei der Entwicklung mit rot-grün-blaue (RGB) Beleuchtung kann eine rote LED mit einer Durchlassspannung von etwa 2 V geliefert werden, während die gleiche für blaue und grüne LEDs etwa 3 bis 4 V betragen kann.

Wenn Sie diese LEDs mit einer einzigen gemeinsamen Spannungsversorgung betreiben, benötigen Sie möglicherweise eine gut berechnete Strombegrenzungswiderstand für jede der farbigen LEDs, um eine Verschlechterung der LED zu vermeiden.

Wärme- und Energieeffizienz

Neben den Versorgungsspannungs- und Stromparametern erfordern auch Temperatur und Energieeffizienz eine sorgfältige Analyse. Obwohl der größte Teil des über eine LED angelegten Stroms in LED-Licht umgewandelt wird, wird eine kleine Menge Energie innerhalb des PN-Übergangs des Geräts in Wärme umgewandelt.

Die an einem LED-Übergang erzeugte Temperatur kann durch einige externe Parameter wie z.

• durch die atmosphärische Temperatur (TA),
• durch den Wärmewiderstand zwischen dem LED-Übergang und der Umgebungsluft (RθJA),
• und durch die Verlustleistung (PD).

Die folgende Gleichung 1 zeigt die Verlustleistungsspezifikation PD einer LED:

PD = VF × IF ------------ Gleichung 1

Mit Hilfe des oben Gesagten können wir die folgende Gleichung weiter ableiten, die die Sperrschichttemperatur (TJ) einer LED berechnet:

TJ = TA + RθJA × PD ---------- Gleichung # 2

Es ist wichtig, den TJ nicht nur unter normalen Arbeitsbedingungen, sondern auch unter einer absoluten maximalen Umgebungstemperatur TA des Entwurfs im Hinblick auf Bedenken im schlimmsten Fall zu bestimmen.

Wenn die LED-Sperrschichttemperatur TJ ansteigt, verschlechtert sich ihre Arbeitseffizienz. Die Vorwärtsstrom-ZF und die Sperrschichttemperatur TJ einer LED müssen zum Schutz vor Zerstörung unter ihren absoluten Maximalwerten bleiben, wie in den Datenblättern angegeben (Abbildung 3).

Figur 3

Neben den LEDs sollten Sie auch die Leistungseffizienz von Widerständen und Treiberelementen wie BJTs und Operationsverstärkern (Operationsverstärkern) berücksichtigen, insbesondere wenn die Anzahl der diskreten Komponenten zunimmt.

Eine unzureichende Energieeffizienz der Treiberstufen, die LED-Einschaltdauer und / oder die Umgebungstemperatur all diese Faktoren können zu einem Temperaturanstieg des Geräts führen, der die Stromabgabe des BJT-Treibers beeinflusst und den VF-Abfall der LEDs verringert .

Wenn der Temperaturanstieg den Durchlassspannungsabfall der LED verringert, steigt die Stromverbrauchsrate der LED an, was zu einer proportional erhöhten Verlustleistung PD und Temperatur führt, und dies bewirkt eine weitere Verringerung des Durchlassspannungsabfalls VF der LED.

Dieser Zyklus eines kontinuierlichen Temperaturanstiegs, der auch als 'thermisches Durchgehen' bezeichnet wird, zwingt die LEDs dazu, über ihrer optimalen Betriebstemperatur zu arbeiten, was zu einer raschen Verschlechterung und irgendwann zu einem Ausfall des Geräts aufgrund eines erhöhten ZF-Verbrauchs führt .

Lineare LED-Treiber

Das lineare Betreiben von LEDs über Transistoren oder ICs ist eigentlich recht praktisch. Von allen Möglichkeiten besteht der einfachste Ansatz zur Steuerung einer LED normalerweise darin, sie direkt an die Versorgungsspannungsquelle (VS) anzuschließen.

Der richtige Strombegrenzungswiderstand begrenzt die Stromaufnahme des Geräts und legt einen genauen Spannungsabfall für die LED fest. Die folgende Gleichung 3 kann zur Berechnung des Vorwiderstands (RS) verwendet werden:

RS = VS - VF / IF ---------- Gleichung 3

In Abbildung 4 sehen wir, dass 3 LEDs in Reihe verwendet werden. Der gesamte Spannungsabfall VF über den 3 LEDs sollte bei der VF-Berechnung berücksichtigt werden (der Durchlassstrom ZF der LED bleibt konstant.)

Figur 4

Obwohl dies die einfachste LED-Treiberkonfiguration sein kann, kann sie in einer realen Implementierung ziemlich unpraktisch sein.

Stromversorgungen, insbesondere Autobatterien, sind anfällig für Spannungsschwankungen.

Eine geringfügige Erhöhung des Versorgungseingangs bewirkt, dass die LED höhere Strommengen zieht und folglich zerstört wird.

Darüber hinaus erhöht eine übermäßige Verlustleistung PD im Widerstand die Gerätetemperatur, was zu einem thermischen Durchgehen führen kann.

Diskrete Konstantstrom-LED-Treiber für Automobilanwendungen

Wenn eine Konstantstromfunktion verwendet wird, wird ein verbessertes stromsparendes und zuverlässiges Layout sichergestellt. Da die am weitesten verbreitete Technik zum Betreiben einer LED das Ein- und Ausschalten ist, ermöglicht ein Transistor eine gut geregelte Stromversorgung.

Abbildung 5

Unter Bezugnahme auf die obige Abbildung 5 kann es möglich sein, entweder einen BJT oder einen MOSFET zu wählen, basierend auf den Spannungs- und Stromspezifikationen der LED-Konfiguration. Transistoren können im Vergleich zu Widerständen problemlos eine größere Leistung verarbeiten, sind jedoch anfällig für Spannungserhöhungen und -absenkungen sowie Temperaturschwankungen. Wenn beispielsweise die Spannung um einen BJT ansteigt, steigt auch sein Strom proportional an.

Um zusätzliche Stabilität zu gewährleisten, können diese BJT- oder MOSFET-Schaltungen so angepasst werden, dass sie trotz Ungleichgewichten in der Versorgungsspannung einen konstanten Strom liefern.

Entwerfen einer LED-Stromquelle

Die Abbildungen 6 bis 8 zeigen eine Handvoll Abbildungen von Stromquellenschaltungen.

In 6 erzeugt eine Zenerdiode eine stabile Ausgangsspannung in der Basis des Transistors.

Der Strombegrenzungswiderstand RZ sorgt für einen geregelten Strom, damit die Zenerdiode ordnungsgemäß funktioniert.

Der Zenerdiodenausgang erzeugt trotz Schwankungen der Versorgungsspannung eine konstante Spannung.

Der Spannungsabfall über dem Emitterwiderstand RE sollte den Spannungsabfall der Zenerdiode ergänzen, daher stellt der Transistor den Kollektorstrom ein, wodurch sichergestellt wird, dass der Strom durch die LEDs immer konstant bleibt.

Verwenden eines Operationsverstärker-Feedbacks

In Abbildung 7 unten ist eine Operationsverstärkerschaltung mit einer Rückkopplungsschleife dargestellt, um eine ideale Kfz-LED-Steuerschaltung herzustellen. Die Rückkopplungsverbindung stellt sicher, dass der Ausgang automatisch angepasst wird, damit das an seinem negativen Eingang entwickelte Potential gleich seinem positiven Referenzeingang bleibt.

Eine Zenerdiode wird geklemmt, um eine Referenzspannung am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers zu erzeugen. Falls der LED-Strom einen vorbestimmten Wert überschreitet, entwickelt er eine proportionale Spannungsmenge über dem Erfassungswiderstand RS, die versucht, den Zenerreferenzwert zu überschreiten.

Da dies dazu führt, dass die Spannung am negativen invertierenden Eingang des Operationsverstärkers den positiven Referenz-Zenerwert überschreitet, wird der Operationsverstärkerausgang zum Ausschalten gezwungen, was wiederum den LED-Strom und auch die Spannung über RS ​​verringert.

In dieser Situation wird der Ausgang des Operationsverstärkers wieder in den Einschaltzustand zurückgesetzt und die LED aktiviert. Diese selbsteinstellende Aktion des Operationsverstärkers wird unendlich fortgesetzt, um sicherzustellen, dass der LED-Strom den berechneten unsicheren Pegel niemals überschreitet.

Abbildung 8 oben zeigt ein weiteres Feedback-basiertes Design, das mit ein paar BJTs durchgeführt wurde. Hier fließt der Strom mittels R1 und schaltet den Transistor Q1 ein. Der Strom fließt weiter über R2, wodurch die richtige Strommenge durch die LEDs festgelegt wird.

Falls dieser LED-Strom durch R2 versucht, den vorgegebenen Wert zu überschreiten, steigt auch der Spannungsabfall über R2 proportional an. In dem Moment, in dem dieser Spannungsabfall auf die Basis-Emitter-Spannung (Vbe) des Transistors Q2 ansteigt, beginnt Q2 einzuschalten.

Wenn Q2 eingeschaltet wird, wird nun Strom durch R1 gezogen, wodurch Q1 zum Ausschalten gezwungen wird, und der Zustand stellt den Strom durch die LED selbst ein, um sicherzustellen, dass der LED-Strom niemals über den unsicheren Wert hinausgeht.

Dies Transistorstrombegrenzer mit Rückkopplungsschleife garantiert eine konstante Stromversorgung der LEDs gemäß dem berechneten Wert von R2. In dem obigen Beispiel sind BJTs implementiert, aber es ist dennoch möglich, MOSFETs in dieser Schaltung für Anwendungen mit höherem Strom zu verwenden.

Konstantstrom-LED-Treiber mit integrierten Schaltkreisen

Diese wesentlichen Bausteine ​​auf Transistorbasis könnten leicht repliziert werden, um mehrere LED-Strings zu betreiben, wie in Abbildung 9 dargestellt.

Steuern einer Gruppe von LED-Strings Dies führt schnell zu einem Anstieg der Komponentenanzahl, belegt mehr Platz auf der Leiterplatte und verbraucht mehr GPIO-Pins (General Purpose Input / Output).

Darüber hinaus sind solche Konstruktionen im Wesentlichen ohne Überlegungen zur Helligkeitssteuerung und Fehlerdiagnose, die für die meisten Power-LED-Anwendungen von wesentlicher Bedeutung sind.

Zum Einbeziehen der Spezifikationen wie Helligkeitssteuerung und Fehlerdiagnose sind eine zusätzliche Anzahl diskreter Komponenten und zusätzliche Entwurfsanalyseverfahren erforderlich.

LED-Designs, die enthalten höhere Anzahl von LEDs bewirkt, dass diskrete Schaltungsentwürfe eine höhere Anzahl von Teilen enthalten, was die Komplexität der Schaltung erhöht.

Um den Entwurfsprozess zu rationalisieren, wird die Anwendung als am effektivsten angesehen spezialisierte ICs als LED-Treiber . Viele der in Abbildung 9 gezeigten diskreten Komponenten könnten mit einem IC-basierten LED-Treiber, wie in Abbildung 10 dargestellt, vereinfacht werden.

Abbildung 10

LED-Treiber-ICs wurden speziell für die Berücksichtigung kritischer Spannungs-, Strom- und Temperaturspezifikationen von LEDs sowie für die Minimierung der Teilezahl und der Platinenabmessungen entwickelt.

Darüber hinaus können LED-Treiber-ICs zusätzliche Funktionen zur Helligkeitssteuerung und -diagnose aufweisen, einschließlich Übertemperaturschutz. Das heißt, es mag möglich sein, die oben genannten erweiterten Funktionen auch mit diskreten BJT-basierten Designs zu erreichen, aber ICs scheinen vergleichsweise eine einfachere Alternative zu sein.

Herausforderungen bei LED-Anwendungen für Kraftfahrzeuge

Bei vielen LED-Implementierungen in Kraftfahrzeugen wird die Helligkeitssteuerung zu einer wesentlichen Notwendigkeit.

Da durch Einstellen des Durchlassstroms ZF über die LED der Helligkeitsgrad proportional angepasst wird, können analoge Designs verwendet werden, um die Ergebnisse zu erzielen. Eine digitale Methode zur Steuerung der LED-Helligkeit ist die PWM- oder Pulsweitenmodulation. Die folgenden Details analysieren die beiden Konzepte und zeigen, wie sie für Kfz-LED-Anwendungen angewendet werden können

Unterschied zwischen analoger und PWM-LED-Helligkeitsregelung

In Abbildung 11 wird der Hauptunterschied zwischen analogen und digitalen Methoden zur Steuerung der LED-Helligkeit bewertet.

Abbildung 11

Durch die Verwendung einer analogen LED-Helligkeitsregelung wird die LED-Beleuchtung durch die Größe des fließenden Stroms verändert. Ein größerer Strom führt zu einer erhöhten Helligkeit und umgekehrt.

Die Qualität des analogen Dimmens oder der Helligkeitsregelung ist jedoch nicht zufriedenstellend, insbesondere bei niedrigeren Helligkeitsbereichen. Analoges Dimmen ist normalerweise nicht für farbabhängige LED-Anwendungen wie RGB-Beleuchtung oder Statusanzeigen geeignet, da unterschiedliche ZF die Farbausgabe der LED beeinflussen und eine schlechte Farbauflösung der RGB-LEDs verursachen.

Im Gegensatz, PWM-basierte LED-Dimmer Variieren Sie nicht den LED-Vorwärtsstrom IF, sondern steuern Sie die Intensität durch Variieren der EIN / AUS-Schaltrate der LEDs. Dann bestimmt der durchschnittliche Einschaltzeit-LED-Strom die proportionale Helligkeit der LED. Es wird auch als Tastverhältnis bezeichnet (das Verhältnis der Impulsbreite zum Impulsintervall der PWM). Durch PWM führt ein höheres Tastverhältnis zu einem höheren Durchschnittsstrom durch die LED, was zu einer höheren Helligkeit führt und umgekehrt.

Aufgrund der Tatsache, dass Sie den Arbeitszyklus auf verschiedene Beleuchtungsbereiche fein einstellen können, trägt das PWM-Dimmen dazu bei, ein viel breiteres Dimmverhältnis im Vergleich zum analogen Dimmen zu erzielen.

Obwohl PWM eine verbesserte Helligkeitsregelung garantiert, erfordert es mehr Designanalysen. Die PWM-Frequenz muss viel höher sein als von unserer Sicht wahrgenommen, da die LEDs sonst möglicherweise so aussehen, als würden sie flackern. Darüber hinaus sind PWM-Dimmerschaltungen für die Erzeugung elektromagnetischer Interferenzen (EMI) berüchtigt.

Interferenz durch LED-Treiber

Eine Kfz-LED-Treiberschaltung mit unzureichender EMI-Steuerung kann andere benachbarte elektronische Software beeinträchtigen, z. B. die Erzeugung von Summgeräuschen in Funkgeräten oder ähnlichen empfindlichen Audiogeräten.

LED-Treiber-ICs bieten Ihnen sicherlich sowohl analoge als auch PWM-Dimmfunktionen sowie zusätzliche Funktionen zur Bekämpfung von EMI wie programmierbarer Anstiegsgeschwindigkeit oder Phasenverschiebung des Ausgangskanals oder Gruppenverzögerung.

LED-Diagnose und Fehlerberichterstattung

LED-Diagnosen, die Überhitzung, Kurzschluss oder Unterbrechung umfassen, sind eine beliebte Konstruktionsvoraussetzung, insbesondere wenn die Anwendung den Betrieb mehrerer LEDs erfordert. LED-Treiber minimieren das Risiko von LED-Fehlfunktionen und verfügen über einen geregelten Ausgangsstrom mit größerer Präzision als transistorbasierte diskrete Treiber-Topologien.

Darüber hinaus verfügen IC-Treiber über einen Übertemperaturschutz, um eine höhere Lebensdauer der LEDs und der Treiberschaltung selbst zu gewährleisten.

LED-Treiber für Kraftfahrzeuge müssen so ausgestattet sein, dass Fehler erkannt werden, z. B. eine offene LED oder ein Kurzschluss. Einige Anwendungen erfordern möglicherweise auch Folgemaßnahmen, um einem erkannten Fehler entgegenzuwirken.

Beispielsweise enthält ein Auto-Rücklichtmodul eine Reihe von LED-Reihen, um Rücklichter und Bremslichter zu beleuchten. Falls in einer der LED-Strings ein defekter LED-Fehler erkannt wird, muss die Schaltung in der Lage sein, die gesamte LED-Anordnung auszuschalten, um sicherzustellen, dass weitere Schäden an den verbleibenden LEDs vermieden werden können.

Die Aktion würde den Benutzer auch vor dem nicht standardmäßigen verschlechterten LED-Modul warnen, das deinstalliert und zur Wartung an den Hersteller gesendet werden muss.

Körperkontrollmodule (BCM)

Um dem Fahrzeugbenutzer einen Diagnosealarm zukommen zu lassen, wird ein intelligenter High-Side-Schalter in der Körperkontrollmodul (BCM) registriert einen Fehler durch das Rücklichtelement, wie in der obigen Abbildung 12 dargestellt.

Die Identifizierung eines LED-Fehlers über das BCM kann jedoch kompliziert sein. Gelegentlich können Sie das gleiche BCM-Board-Design verwenden, um eine Standardschaltung auf Glühlampenbasis oder ein LED-basiertes System zu erkennen, da der LED-Strom im Gegensatz zum Glühlampenverbrauch tendenziell wesentlich geringer ist und zwischen einer logischen LED-Last unterscheidet.

Fazit

Eine offene oder getrennte Last kann schwierig zu identifizieren sein, wenn die Stromerfassungsdiagnose nicht genau ausgelegt ist. Anstatt eine einzelne offene LED-Zeichenfolge zu haben, wird das Ausschalten der gesamten LED-Zeichenfolge für das BCM leichter erkennbar, um eine offene Lastsituation zu melden. Eine Bedingung, die sicherstellt, dass bei einem Ausfall einer LED das Kriterium 'Alle LED-Fehler' ausgeführt werden kann, um alle LEDs bei Erkennung eines einzelnen LED-Fehlers auszuschalten. Lineare LED-Treiber für Kraftfahrzeuge enthalten die Funktion, die eine One-Fail-All-Fail-Reaktion ermöglicht und einen gemeinsamen Fehlerbus in mehreren IC-Konfigurationen identifizieren kann.